InForm - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH ...

InForm
Ausgabe 1/2011
Newsletter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen Aachen
Aktuelles 1-2
Forschung & Technik 3-9
Seminare 10
Impressum 10
AKTUELLES
Ausbau der technischen Gebäudeausstattung
im Forschungsbau Center
for Mobile Propulsion (CMP)
Nach Beendigung der Rohbauphase hat der Bauund
Liegenschaftsbetrieb Aachen (BLB) im März
zum Richtfest eingeladen. Vor den geladenen
Gästen aus Politik, Wirtschaft und Hochschule
betonte RWTH Rektor Prof. Schmachtenberg die
Stärkung der Forschung auf dem Gebiet der mobilen
Antriebstechnik durch den Forschungsbau
CMP. Dabei soll durch den Ansatz einer echtzeitvernetzten
Laborumgebung die Zusammenarbeit
von verschiedenen Lehrstühlen und Instituten
verbessert und die interdisziplinäre Forschung
intensiviert werden.
Damit die komplexe TGA schon vor Fertigstellung
des Gebäudes getestet werden kann, werden parallel
zur Inbetriebnahme dieser die Prüftechnikkomponenten
installiert. Damit lässt sich die allgemeine
Funktionalität der TGA sowie die notwendige
Kommunikation zwischen den technischen Gewerken
testen und prüfen. Insbesondere gilt dies
für sicherheitsrelevante Funktionen. Ein voller
Funktionstest mit Volllastabnahme ist jedoch erst
mit mehreren betriebsbereiten Laboren möglich. Im
Endausbau sollen zeitgleich 1800 kW Wellenleistung
in den Prüfständen abgerufen werden können.
Um die Funktionstüchtigkeit der Rückkühlung
der anfallenden Wärmelasten testen zu können,
soll im Sommer 2012 ein Volllasttest durchgeführt
werden.
Den aktuellen Stand einer Prüfzelle zeigt Abb. 2.
Das Labor wird in Zukunft für die Untersuchung von
NFZ-Motoren bis zu einer Leistungsklasse von
600 kW eingesetzt.
Abb. 1: Aktueller Baustatus Center for Mobile
Propulsion
Seit März wird in der Prüfstandshalle und im Bürogebäude
der Ausbau der technischen Gebäudeausstattung
(TGA) durchgeführt. Diese Arbeiten
werden durch die hohen Anforderungen von
der Forschungsprogrammatik und der sich daraus
ergebenden Komplexität noch bis Anfang 2012
andauern. Den aktuellen Stand der Gebäude
zeigt Abb. 1. Ab kommendem Jahr wird die Innenausstattung
der Gebäude erfolgen, bevor die
ersten RWTH Mitarbeiter im April 2012 in den
Neubau einziehen können.
Abb. 2: Prüflabor für Nutzfahrzeugmotoren bis
zu einer Leistungsklasse von 600 kW
Dr.-Ing. Dieter Seebach
Tel.: +49 241 80-95357
Fax: +49 241 80-92630
seebach@vka.rwth-aachen.de
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VKA Newsletter, Ausgabe 1/2011
Jubiläumsjahr 2011
20. Aachener Kolloquium
Fahrzeug- und Motorentechnik
Das erste Aachener Kolloquium „Fahrzeug- und
Motorentechnik“ wurde 1987 unter der Leitung
der Professoren Jürgen Helling und Franz Pischinger
(Abb. 1) am Technologiestandort Aachen
ins Leben gerufen. In insgesamt 41 Vorträgen
wurden damals aktuelle Themen, wie die
„Steuerung und Regelung des Zündwinkels am
Ottomotor im Instationärbetrieb“, das „Zweimassenschwungrad“
für einen besseren Fahrkomfort
und die „elektronische Antriebsschlupfregelung
ASR und ihre Integration in das Antiblockiersystem
ABS“ vorgestellt und diskutiert – Aufgabenstellungen,
die längst ihren Weg in die Großserie
und somit in nahezu jedes moderne Fahrzeug
gefunden haben.
Abb. 2: Prof. S. Pischinger, Prof. L. Eckstein
Abb. 1: Prof. J. Helling, Prof. F. Pischinger
Schon damals stellten neben der FEV GmbH
und dem Institut für Kraftfahrzeuge (ika) fünf weitere
Firmen ihre neusten Entwicklungen in der
begleitenden Fachausstellung vor.
Inzwischen ist die fachliche Leitung der nächsten
Generation übergeben worden. 1998 übernahm
auf Seite des VKA Herr Professor Stefan
Pischinger und 2010 auf Seite des ika Professor
Lutz Eckstein die Leitung des Aachener
Kolloquiums (Abb. 2). Seit dem ersten Kolloquium
sind renommierte Referenten aus der nationalen
und internationalen Automobilindustrie
und Forschung ein Garant für Qualität, Aktualität
und interessante Diskussionen. Beim traditionellen
Festabend haben die Teilnehmer Gelegenheit,
begleitet von kulinarischen und musikalischen
Höhepunkten, in entspannter Atmosphäre
einen fröhlichen Abend in den historischen
Gebäuden der Stadt Aachen zu verbringen
(Abb. 3). Für Begleitpersonen wird in jedem
Jahr ein attraktives Rahmenprogramm
zusammengestellt.
Abb. 3: Festabend im Krönungssaal 1995
Damals wie heute kommen Experten und Entscheidungsträger
aus Forschung und Entwicklung
zusammen (Abb 4). Mit über 1800 Teilnehmern
aus über 25 Nationen und über 60 Ausstellern
2011 hat sich das Aachener Kolloquium
Fahrzeug- und Motorentechnik zur wichtigsten
und größten Veranstaltung dieser Branche in
Europa entwickelt.
Abb. 4: Eröffnungssession 2011
Birgit Schaefer-Hamm
Tel.: +49 241 80-25340
hamm@vka.rwth-aachen.de
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VKA Newsletter, Ausgabe 1/2011
CO 2 -Reduktion durch hubraumreduzierte
Ottomotoren und ethanolhaltige
Biokraftstoffe
Die Gesetzgebung fordert für Europa eine schrittweise
Reduzierung der für 2012 festgeschriebenen
CO 2 -Grenzwerte von 130 g/km auf 95
g/km bis 2020. Dies entspricht einer Reduktion
des derzeitigen durchschnittlichen Flottenverbrauchs
um 27 %. Die Erreichung dieses
Ziels wird ohne eine deutliche Wirkungsgradverbesserung
des gesamten Antriebsstranges nicht
möglich sein.
CO 2 Sonderforschungsprogramm
Motorauslegung
HP Kraftstoffrail
NW Sensor
Zylinderkopfabguss
Zündsystem (90 mJ)
HD Kraftstoffpumpe
HDEV
CVVT
Aktuierung der CVVT
Wasserpumpe mit elektromagnetischer
Aktuierung
Ölpumpe
Integrierter gekühlter
Abgaskrümmer
Abgasturbolader
Motorblock OM660
Mechanischer Lader
Abb. 1: Hubraumreduzierter Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung
Die europäische Direktive 2009/28/EC schreibt
zudem bis zum Jahr 2020 einen Anteil biogener
Kraftstoffe von 10 % innerhalb des Transportsektors
vor. Zur Erfüllung dieser Ziele sollen im Ottomotor
hochoktanige Biokraftstoffe (wie z. B.
E20 oder E85) verwendet werden. Ethanolkraftstoffe
weisen im Vergleich zu konventionellen
Ottokraftstoffen eine höhere Verdampfungsenthalpie
und Klopffestigkeit auf. Die damit einhergehenden
verbesserten Verbrennungsschwerpunktlagen
verbunden mit einem geringeren
heizwertbezogenen CO 2 -Ausstoß zeigen ein
Reduktionspotential des Kraftstoffverbrauchs auf.
Die Verkleinerung des Hubvolumens in Verbindung
mit Aufladung und Kraftstoff Direkteinspritzung
stellt in allen Fahrzeugklassen eine attraktive
Maßnahme dar, den Kraftstoffverbrauch des
Fahrzeuges bei gleichen Fahrleistungen um bis
zu 15 % zu senken. Im Volumensegment der
unteren Mittelklasse sowie in der Kleinwagenklasse
ist weiterhin ein Trend zur Reduktion der
Zylinderzahl zu beobachten.
Ziel des aktuellen FVV Forschungsvorhabens Nr.
1041 „Downsizing with biofuels“ am Lehrstuhl für
Verbrennungskraftmaschinen ist die Auslegung,
Konstruktion und der Aufbau eines hochaufgeladenen
direkteinspritzenden 3-Zylinder-
Ottomotors mit einem Gesamthubvolumen von
0.8 l speziell für Biokraftstoffe (E20, E85). Abb. 1
zeigt den mittels CAE Methoden ausgelegten
Motor und die während der Konzeptphase beteiligten
Projektpartner des Arbeitskreises.
Die signifikante Hubraumreduktion verglichen zu
aktuellen Pkw Motoren und die damit verbundene
höhere spezifische Belastung der Motorbauteile
führen zu steigenden Anforderungen an die
Thermomechanik und das Kühlsystems des Motors.
Abb. 2 zeigt die berechnete Temperaturverteilung
innerhalb des Zylinderkopfes. Durch einen
entsprechend der Nennleistung dimensio-
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nierten Wassermantel können kritische Bauteilbelastungen
vermieden und ein sicherer Motorbetrieb
gewährleistet werden. Begrenzt wird das
Einlass
Auslass
Temperatur
Abb. 2: Berechnete Temperaturverteilung im
Zylinderkopf
Downsizing bei Verbrennungsmotoren mit sehr
kleinen Hubvolumen durch den verzögerten Ladedruckaufbau
aktuell verfügbarer Aufladetechnik.
Dieser Zielkonflikt wird durch die Adaption
einer zweistufigen Aufladeeinheit mit der Kombination
eines mechanischen Laders und eines
Abgasturboladers gelöst. So soll das geforderte
Ansprechverhalten bei gleichzeitiger Darstellung
eines Verbrauchsvorteils gegenüber einem hubraumgroßen
Motor realisiert werden. Abb. 3
zeigt das Drehzahl-Last-Kennfeld des neu entwickelten
hubraumreduzierten 3 Zylinder Otto-DI-
Motors.
Durch den Betrieb mit einem mechanischen
Kompressor kann im unteren Drehzahlbereich
ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung
[°C]
gestellt werden. Bei einer Drehzahl von n = 2000
1/min erreicht der Motor einen indizierten Mitteldruck
von über 26 bar. Ab einer Motordrehzahl
von n = 2500 1/min stellt der Abgasturbolader
einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung
und der mechanische Lader kann durch eine
Kupplung getrennt werden. Damit erreicht der
Motor bei n = 5500 1/min spezifische Leistungen
von über 120 kW / l.
Weiterhin zeigt das Motorkennfeld den Bereich,
indem der Motor bei Betrieb mit konventionellen
Kraftstoffen (ROZ 95) aus Gründen des Bauteilschutzes
und der Klopfneigung unterstöchimetrisch,
d.h. mit Kraftstoffüberschuss, betrieben
werden muss.
Die erhöhte Verdampfungsenthalpie ethanolhaltiger
Kraftstoffe ermöglicht zudem wirkungsgradoptimierte
Zündwinkel. Damit werden späte Verbrennungslagen
und unzulässig hohe Bauteiltemperaturen
vermieden. Im gesamten Kennfeld
ist damit ein stöchiometrischer und kraftstoffsparender
Motorbetrieb möglich. Durch die
Adaption eines variablen Ventiltriebes kann der
Verbrennungsmotor in einem Teil des Kennfeldes
entdrosselt betrieben werden. Hierdurch
können die Ladungswechselverluste des Motors
um bis zu 40 % reduziert werden. Die Verbindung
eines variablen Ventilhubs mit zusätzlichen
Brennraummaskierungen trägt zu einer deutlich
verbesserten Verbrennungsstabilität bei. Damit
kann der Teillastverbrauch in zyklusrelevanten
Kennfeldbereichen weiter reduziert werden. An
diesem hochaufgeladenen 3-Zylinder-Otto-DI
Motor können die Grenzen zukünftiger Ottomotoren
bezüglich der Auslegung der Auflade-
35
30
25
20
15
10
5
Indizierter Mitteldruck, p mi
/ bar
Betrieb des mechanischen Verdichters
Notwendige Anfettung bei einem Motorbetrieb
mit konventionellen Kraftstoffen
(hier: ROZ 95)
Stöchiometrischer (λ=1) Motorbetrieb bei
der Verwendung alternativer Biokraftstoffe
(hier: E20, E85)
Teilhub zur Reduktion der Ladungswechselverluste
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Motordrehzahl / (1/min)
Abb. 3: Betriebskennfeld eines hubraumreduzierten 3-Zylinder Otto-DI-Motors
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aggregate und des Brennverfahrens untersucht
werden. Die Verwendung von Biokraftstoffen
ermöglicht die Darstellung extremer Downsizingpotentiale
und bietet neue Erkenntnisse und Methoden
für zukünftige Anforderungen. Dabei werden
die Optimierung der konventionellen Verbrennungsmotoren
und der zunehmende Einsatz
von aus Biomasse erzeugten Kraftstoffen von
Verbesserungen des Getriebes und einer Elektrifizierung
des Antriebsstrangs begleitet. Durch die
Gesamtheit dieser Maßnahmen können die geforderten
CO 2 Reduktionen erreicht werden.
wird durch Partikel-Schichtablösungen des Kathodenaktivmaterials
von der Elektrode ausgelöst,
welche durch häufige Volumenänderungen
während der Lade- und Entladezyklen hervorgerufen
werden.
Dipl.-Ing. Thomas Dünschede
Tel.: +49 241 80-98376
duenschede@vka.rwth-aachen.de
Mesoskalare Simulation von Lithium-Ionen-Batterie-Kathoden
Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer hohen
spezifischen Leistungs- und Energiedichte
momentan die beste Wahl für elektrische Traktionsenergie-Speicher.
Eine Lithium-Ionen-
Batterie-Zelle besteht aus einer porösen Kathode
und Anode, welche durch einen Separator getrennt
und mit Elektrolyt gefüllt ist (Abb.1).
Die porösen Elektroden bestehen aus einem
Wirtsaktivmaterial (AM). Sie sind in einer Matrix
aus Binder auf Polymerbasis und optionalen, die
elektrische Leitfähigkeit erhöhenden, Additiven
wie z.B. Ruß eingelagert. Üblicherweise wird
Graphit als negatives Anodenmaterial verwendet.
Als Kathodenmaterial werden häufig Lithium-
Metall-Oxide (LiMO) oder Lithium-Eisen-
Phosphate (LiFePO4) eingesetzt.
Sobald Elektronen über einen externen Stromkreis
von einem höheren Potential im Anoden-
Aktivmaterial zum niedrigeren Potential im Katheden-Aktivmaterial
fließen, wird elektrische
Energie transportiert. Dieser Vorgang wird von
einem Li + Ionen-Transport von der Anode zur
Kathode durch den Elektrolyten innerhalb der
Zelle begleitet. Eine der großen Herausforderungen
die für Lithium-Ionen-Batterien gelöst werden
müssen ist der Kapazitätsverlust, der durch
Verminderung des elektrischen Kontakts zur Kathode
hervorgerufen wird. Diese Verminderung
Abb. 1: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle
Im Rahmen des NanoLiBa Projektes wurden am
VKA zum ersten Mal erweiterte mathematische
3D-Modelle entwickelt, um den Einfluss der Mikrostruktur
und der Verformungen auf die elektrische
Leitfähigkeit zu untersuchen. LiFePO4 hat
gegenüber den anderen Aktivmaterialen Vorteile
hinsichtlich Kosten und Sicherheit, allerdings gibt
es Probleme bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit.
Ziel ist es solche Mikrostrukturen zu identifizieren,
welche die elektrische Leitfähigkeit
verbessern können aber nicht die Kapazität verringern.
Zudem sollte die elektrische Leitfähigkeit
des Kathodengemisches und der elektrische
Kontaktwiderstand zum Kollektor berechnet werden,
was zwei herausfordernde Parameter in der
Makro-Elektrochemischen-Analyse von Lithium-
Ionen-Zellen sind.
Ein zufällig arbeitender, dynamischer Kollisionsalgorithmus
wurde entwickelt, um die Charakteristiken
der Kathoden-Mikrostruktur, wie Porösität,
Gewichtsanteile, Partikelgröße und Partikelform
nachzubilden. Ein ausreichend großes repräsentatives
Volumenelement (RVE) wurde
entwickelt, um die Berechnungen zu beschleunigen.
Zur Veranschaulichung ist in Abb. 2 ein
RVE des Kathodenmaterials einer typischen Mikrostruktur
dargestellt.
Die erzeugten Mikrostrukturen wurden anschließend
in eine Finite-Elemente-Analyse importiert,
um die Partikeldeformationen während des Ladevorgangs
zu beobachten (Abb. 3). Die Analyse
wurde analog zur Theorie der thermischen
Ausdehnung entwickelt, wobei die Lithium Ionen
Konzentration und die partiellen Volumenänderungen
berücksichtigt werden.
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Die Implementierung von variierenden Widerständen
basiert auf der Quanten-Tunnel-Theorie,
welche eine Wahrscheinlichkeit darstellt, ob ein
Elektron von einem leitenden Material in ein nicht
leitendes Material (den Binder) „tunnelt“ oder
nicht. Abb. 4 zeigt den Pfad von Elektronen in
einem RVE der Kathode. Die entwickelten Modelle
werden benutzt, um den elektrischen
Transport in der Kathode für verschiedene Mikrostrukturen
zu untersuchen. Es wurde entdeckt,
dass mit Kohlenstoff umhüllte LiFePO4-
Nanopartikel den größten Einfluss haben, um die
elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Diese Methode kann den derzeitig eingesetzten
Ruß ersetzen. Zudem wurde herausgefunden,
dass die Ablösung von Aktivmaterial auf der
Elektrode, d.h. Erhöhung des Kontaktwiderstandes
mit Hilfe von Mikrostrukturen, wie einem
rauen Kollektor, kleiner Porosität, kleine Partikelgröße
in Tellerform und Ruß verbessert werden
kann.
Abb. 2: Ein RVE eines virtuellen Kathodenaufbaus
Die Ablösung der Elektrode wurde simuliert, indem
das Adhäsionsgesetz eingesetzt wurde, um
die Van-der-Waals Kräfte zwischen Elektrode
und Polymer zu simulieren. Das Adhäsionsgesetz
kann aus den Lenard-Jones-Potentialen
zwischen den einzelnen Atomen hergeleitet werden.
Es wurden lineare Elastizitätsmaterialeigenschaften
für die Partikel und hyper-elastische Materialeigenschaften
für die Polymer-Binder verwendet.
Die Effekte der Elektrolytlösung auf die Steifigkeit
wurden ebenfalls berücksichtigt. Um den elektrischen
Transport zu bestimmen, muss das RVE
zudem elektrisch untersucht werden. Dazu werden
zufällige Potentialdifferenzen auf zwei gegenüberstehenden
RVE Oberflächen erzeugt und
allen Zwischenpartikeln und Partikel/Elektrode-
Übergängen elektrische Widerstände zugeordnet,
welche exponentiell mit der Entfernung
wachsen.
Abb. 3 Verformung im RVE
Abb. 4: Interpartikuläre Elektronenwanderung
Die vorgestellten Ansätze können in einer dreidimensionalen
elektrochemischen Analyse kombiniert
werden um die Interaktionen der Elektronen
und den Li-Ionen Transport zu analysieren.
Dies eröffnet die Möglichkeit genauere Einblicke
in die Alterungsmechanismen von Lithium Ionen
Batterie zu erlangen.
Dipl.-Ing. Ali Awarke und
Dipl.-Ing. Jens Bockstette
Tel.: +49 241 80-95350
awarke@vka.rwth-aachen.de
bockstette@vka.rwth-aachen.de
Danksagung
Die vorgestellten Ergebnisse sind im Rahmen
des Boost-Fund-Projektes "NanoLiBa" entstanden,
welches durch die Exzellenzinitiative des
Bundes und der Länder zur Förderung von Wissenschaft
und Forschung an deutschen Hochschulen
gefördert wird.
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Simulation des Dieseleintrages ins
Motoröl im Regenerationsbetrieb
Heutige PKW-Dieselmotoren enthalten neben
dem Diesel Oxidation Katalysator (DOC) zur Reduktion
von HC- und CO-Emissionen einen Diesel
Partikelfilter (DPF) zur Reduktion der Rußemissionen.
Zur Regeneration des beladenen
DPF werden Abgastemperaturen von bis zu
650 °C benötigt. Diese können mit einer Spätverstellung
der Haupt- und Nacheinspritzung
ohne einen zusätzlichen Brenner oder Injektor in
der Abgasanlage erreicht werden. Für den Betrieb
bei hohen Lasten ist die Spätverstellung der
Haupteinspritzung ausreichend um die geforderten
Abgastemperaturen zu erreichen. Für niedrige
Lasten ist hingegen eine Nacheinspritzung
notwendig. Diese zur Regeneration notwendigen
Nacheinspritzungen können in zwei Klassen unterteilt
werden. In frühe Nacheinspritzungen,
welche im Zylinder zünden und fast vollständig
verbrennen und späte Nacheinspritzungen die
Aufgrund der geringen Zylindertemperatur nicht
zünden. Nicht zündende Nacheinspritzungen
führen zu einer hohen Konzentration an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen im Abgas, welche
im DOC mit Sauerstoff reagieren und die Abgastemperatur
vor dem DPF erhöhen. Diese späten
Nacheinspritzungen haben den Vorteil, dass kein
Drehmoment generiert wird und dass die Wärmeverluste
stromauf des DOC geringer ausfallen
als bei Nacheinspritzungen die im Zylinder zündenden.
Daher stellt die späte Nacheinspritzung
eine effektive Strategie dar um die für die Abgasnachbehandlung
hohen Regenerationstemperaturen
zu erzeugen. Jedoch weist der Einspritzstrahl
der späten Nacheinspritzung aufgrund
der fehlenden Abschirmung der Kolbenmulde
und der geringen Gasdichte im Brennraum
eine erhöhte Eindringtiefe auf, was dazu
führt das Kraftstoff den Ölfilm am Liner erreicht.
Dies hat zur Folge, dass ein Teil der durch die
Nacheinspritzung eingebrachten Kraftstoffmasse
in den Ölfilm eingetragen wird, was wiederum zu
einer Verdünnung des Motoröls mit Kraftstoff
führt. Im heute üblichen Entwicklungsprozess
wird der Einfluss der Einspritzstrategie während
der Regeneration auf die Ölverdünnung erst spät
mit aufwendigen Motorversuchen ermittelt. Ziel
des Forschungsvorhabens „Diesel in Öl“ ist daher
die Entwicklung einer Berechnungsmethode,
welche die Bewertung der Einspritzstrategie hinsichtlich
der Ölverdünnung ermöglicht. Zur Berechnung
des Kraftstoffeintrages in den Ölfilm
wurden 3D-CFD Simulationen durchgeführt, welche
mit Messungen an einem 1-Zylinder Forschungsaggregat
und einem Transparentmotor
abgeglichen wurden.
Motorversuche
Zur Bestimmung des Kraftstoffeintrages in den
Ölfilm wurden Motorversuche an einem 1 Zylinder
Forschungsmotor und einem geometrisch
gleichen Transparentmotor durchgeführt. Die
Motordaten sind in folgender Tab. 1 dargestellt.
Bohrung
75 mm
Hub
88.3 mm
Hubraum
390 cm3
Verdichtungsverhältnis 15
Einspritzsystem Bosch CRIP 3 (Piezo)
Tab. 1: Motordaten des Versuchsträgers
Mit beiden Motoren wurden verschiedene Einspritzstrategien
bei dem Betriebspunkt 2000
1/min und 4.3 bar indizierten Mitteldruck durchgeführt.
Der Einspritzdruck betrug 720 bar. Die
Einspritzzeitpunkte und die entsprechende Ansteuerdauer
des Injektors sind in Abb. 1 dargestellt.
10.5
OP 1
9
OP 2
7.5
OP 3
6
OP 4
4.5
OP 5
3
OP 6
1.5
OP 7
0
300 μs
365 μs
180 μs
33 60 65 70 110 120
α [°CA ATDC]
30 60 90 120
Abb. 1: Nacheinspritzungsparameter für die
untersuchten Operationspunkte
Mit den Operationspunkten (OP) 1, 2 und 5 wurde
der Einfluss einer zündenden Nacheinspritzung
und mit OP 3, 6 und 7 der Einfluss einer
nicht zündenden Nacheinspritzung auf die Ölverdünnung
untersucht. OP 4 und 7 enthalten statt
einer Nacheinspritzung zwei aufeinanderfolgende
Nacheinspritzungen mit kurzer Ansteuerdauer.
Abb. 2 zeigt den Messaufbau des Transparentmotors.
Dieser besitzt eine Kolbenmulde aus
Glas, welche es ermöglicht vom Kurbelgehäuse
in den Brennraum zu schauen. Des Weiteren
besteht ein optischer Zugang durch ein Fenster
im Liner. Zur Visualisierung der Einspritzstrahlen
wurde die Mie-Streulichtmethode verwendet.
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Im folgendem werden die optischen Messungen
der Operationspunkte 2 und 7 diskutiert. Abb 3
zeigt die Aufnahmen von OP 2. Die obere Reihe
Light sheet
Setup 1
Setup 2
kann beobachtet werden, dass der Spraywinkel
der Einspritzung mit geringer Ansteuerdauer
deutlich breiter ausfällt als für Einspritzungen bei
denen der Injektor vollständig öffnet.
Window
cassette
Prelonged
Piston with
transparent
ω-bowl
Mirror
Scattered and
radiated
Light
Abb. 2: Messaufbau des Transparentmotors
zeigt die Strahlausbreitung der ersten Nacheinspritzung
in der Ansicht von unten (links) und der
Sicht durch das Seitenfenster im Liner (rechts).
Es ist kein Auftreffen des Strahls auf dem Liner
zu beobachten, aber die Spitzen des Einspritzstrahls
zeigen den Beginn der Zündung. Die untere
Reihe von Abb. 3 zeigt die Strahlausbreitung
der zweiten Nacheinspritzung. Hier kann ein
deutliches Auftreffen des Einspritzstrahles auf
dem Liner beobachtet werden. Abb. 4 zeigt die
Ergebnisse von OP 7 mit der geteilten Einspritzung
bei 110 °KW und 120 °KW n. ZOT mit kurzen
Ansteuerzeiten. Durch die geringe Ansteuerdauer
öffnet der Injektor nicht vollständig, was zu
einem geringeren Impuls des Einspritzstrahles
und somit zu einer geringeren Eindringtiefe führt.
Abb. 3: Optische Aufnahmen der Nacheinspritzung
bei 33 °KW und 70 °KW n. ZOT des
OP 2.
Der Kraftstoff erreicht nicht den Liner und führt
somit nicht zu einer Ölverdünnung. Zusätzlich
Abb. 4: Optische Aufnahmen der Nacheinspritzung
bei 110 °KW und 120 °KW n. ZOT
des OP 7.
Am 1-Zylinder Forschungsmotor wurde der Kraftstoffeintrag
ins Motoröl mit der “Diesel Loss” Methode
bestimmt. Hierbei wurde die Abweichung
des aus der Luftmassen- und Kraftstoffmessung
bestimmten Luft-Kraftstoffverhältnisses und des
aus der Abgasmessung bestimmten Luft- Kraftstoffverhältnisses
benutzt um den Kraftstoffeintrag
ins Motoröl zu bestimmen. Dadurch, dass
der Kraftstoff, der in das Motoröl eindringt, nicht
im Abgas vorhanden ist, ist das Luft-Kraftstoffverhältnis
im Abgas höher als das welches über
die Luft- und Kraftstoffmasse bestimmt wird. Aus
der Differenz lässt sich der Kraftstoffeintrag ermitteln.
Am 1-Zylinder sind die gleichen Einspritzstrategien
untersucht worden wie am Transparentmotor.
Die Ergebnisse der Diesel Loss sind in Abbildung
5 dargestellt.
Diesel Loss [%]
40
30
20
10
0
1.7 2
22.7
1.2
27.8
32.6
1 2 3 4 5 6
Operation Point
Abb. 5: Ergebnisse der “Diesel Loss”
Messungen
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Es ist zu erkennen, dass die OP 3,5 und 6 mit
späten Nacheinspritzungen einen erhöhten Diesel
Loss und somit ein erhöhter Kraftstoffeintrag
aufweisen. Die OP 1,2 mit früher Nacheinspritzung
und der OP mit geteilter Nacheinspritzung
weisen hingegen einen sehr geringen Diesel
Loss auf, der im Bereich der Messungenauigkeit
liegt. Die OP 1,2,4 haben somit keinen Kraftstoffeintrag
ins Motoröl.
Motorsimulation
Der Kraftstoffeintrag wird mit dem 3D-CFD Simulationscode
KIVA 3.2 berechnet. Hierzu wurde
eine Routine des ITLR, Stuttgart zur Berechnung
der Tropfen- Filminteraktion und eine Routine zur
Berechnung der Kraftstoffverdunstung aus dem
Ölfilm in den Rechencode implementiert. Die
Startbedingungen zu Begin der Nacheinspritzung
werden mit einer Verbrennungssimulation der
Pilot und der Haupteinspritzung mit KIVA ermittelt.
Zur Bestimmung der Parameter für das Einspritzmodell
wurden die am Transparentmotor
gefahrenen Einspritzstrategien simuliert und die
Simulation mit den Aufzeichnungen abgeglichen.
Die am 1-Zylinder gefahrenen OP wurden mit der
neu entwickelten Simulationsmethode berechnet.
Abb. 6 und Abb. 7 zeigen beispielhaft die Ergebnisse
für den OP 3 mit einer späten Nacheinspritzung
bei 120 °KW n. ZOT.
Abb. 7 zeigt die Filmtemperatur, Filmkonzentration
und die Filmhöhe in einem 45° Segment des
Liners. Es ist zu erkennen, das der größte Anteil
der Masse auf einer kleinen Fläche auftritt, die
Kraftstoffkonzentration im Film jedoch in einem
großen Bereich ansteigt.
Film Height [mm]
Fuel Concentration [-]
Film Temperature [°C]
0.04
1
280
0.03
0.02
0.01
0
0.75
0.5
0.25
0
250
210
170
130
Abb. 7: Sektorplot (45°) des Ölfilmes bei
130 °KW n. ZOT des OP 6 mit einer Nacheinspritzung
bei 120 °KW n. ZOT.
In Abbildung 8 ist für alle OP der Anteil der Nacheinspritzung,
welcher in den Film eingeht und der
gemessene Diesel Loss Faktor aufgetragen. Es
ist zu erkennen, dass mit der Ausnahme von OP
2 die Simulationsergebnisse gut mit der Diesel
Loss Messung korreliert.
Fuel Mass [mg]
12.0
9.0
6.0
3.0
Mass Post Injection
Droplet Mass Reaching the Film
Fuel Mass in Film
Splashed Fuel Mass
0.0
30 50 70 90 110 130
[°CA ATDC]
Abb. 6: Ergebnisse der Kraftstoffeintragssimulation
für den OP 6 mit einer Nacheinspritzung
bei 120°KW n. ZOT.
Abb. 6 zeigt die eingespritzte Kraftstoffmasse,
die Kraftstoffmasse die den Liner erreicht, die
Kraftstoffmasse welche vom Liner zurück splashed
und die Kraftstoffmasse im Film. Es ist zu
erkennen, dass die Kraftstoffmasse, die den Liner
erreicht größer ist als die eingespritzte Kraftstoffmasse.
Dies lässt sich dadurch erklären,
dass zurück gesplashte Tropfen erneut den Liner
erreichen. Des Weiteren ist zu erkennen, dass
ein Großteil der Kraftstoffmasse, die den Liner
erreicht splashed und nur ein kleiner Anteil in
den Film übergeht.
Abb. 8: Vergleich des berechneten Kraftstoffeintrages
und des Diesel Loss Faktors
Zusammenfassend kann festgehalten werden,
dass die entwickelte Berechnungsmethode eine
Aussage über den zu erwartenden Kraftstoffeintrag
ins Motoröl tätigen kann. Des Weiteren liefert
die Simulation Informationen über die einzelnen
Mechanismen der Ölverdünnung wie der
Ausbreitung des Kraftstoffes im Zylinder, der
Tropfen- Filminteraktion und der Kraftstoffverdunstung
aus dem Film, die es ermöglichen, den
Prozess der Ölverdünnung besser zu verstehen.
Dipl.-Ing. Markus Ehrly
Tel.: +49 241 80-95350
ehrly@vka.rwth-aachen.de
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Lehre / Vorlesungen
Die Zahl der Neueinschreibungen im WS
2011/12 an der RWTH Aachen University beträgt
im Maschinenbau 1200 und im Studiengang
Wirtschaftsingenieurwesen 330.
In dem Masterprogramm „Combustion Engine“
sind derzeit 18 Studierende aus verschiedenen
Nationen eingeschrieben.
Informationen zu den Masterstudiengängen finden
Sie unter: www.master-combustionengines.com
Informationen zu den Lehrveranstaltungen finden
Sie unter: www.vka.rwth-aachen.de
Motortechnisches Seminar
Wintersemester 2011/2012
Der Ablauf des 90-minütigen Motortechnischen
Seminars gliedert sich immer in einen 45-
minütigen Vortrag und eine 45-minütige Diskussion,
bei der Fragen aus dem Auditorium beantwortet
werden.
Montag, 05. Dezember 2011; 18:00 Uhr
Dr.-Ing. Michael Krüger
Bereichsleiter Diesel Systeme
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
„Zukünftige Anforderungen an den Dieselmotor -
Lösungsansätze aus Sicht eines Zulieferers“
Montag, 12. Dezember 2011; 18:00 Uhr
Dr.-Ing. Carsten Weber
Manager Powertrain and Research
Advanced Engineering
Ford Forschungszentrum GmbH, Aachen
„Ford's zukünftiger Ottomotor für das Jahr
2020+“
Montag, 23. Januar 2012; 18:00 Uhr
Dr. Götz von Esebeck
Leiter Kompetenzzentrum Hybrid
MAN Truck & Bus AG, München
„Hybrid - Antriebstechnologie der Zukunft
im Nutzfahrzeug?“
Montag, 30. Januar 2012; 18:00 Uhr
Mr. Jeffrey P. Lux
Vice President
GME Powertrain Engineering, Rüsselsheim
„Downsizing von Ottomotoren - Potentiale
und Herausforderungen eines Megatrends“
Die Vorträge finden im Kármán-Auditorium,
Forum 5, Eilfschornsteinstraße 15 in Aachen
statt.
Die Teilnahme ist kostenlos, eine Anmeldung ist
nicht erforderlich. Aktuelle Informationen finden
Sie unter: www.vka.rwth-aachen.de
Impressum:
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen
VKA – RWTH Aachen University
Tel.: +49 241 80-95350
Schinkelstraße 8, 52062 Aachen
Redaktion:
Dipl.-Ing. Martin Nijs: nijs@vka.rwth-aachen.de
Birgit Schaefer-Hamm: hamm@vka.rwth-aachen.de
Matthias Krause: krause@vka.rwth-aachen.de
Design:
Winfried Falkenau
Montag, 09. Januar 2012; 18:00 Uhr
Dr.-Ing. Ulrich Dohle
Mitglied des Vorstands
Tognum AG, Friedrichshafen
„Entwicklungstendenzen bei schnelllaufenden
Off-Highway-Dieselmotoren“
10 Copyright VKA / RWTH AACHEN University